Объяснение и прогнозирование в биологии

1. Научное объяснение в биологии

2. Логическая структура предсказаний

3. Методы прогнозирования в биологии

«Итак, если установлено

какое-нибудь правило,

то прежде всего мы должны

исследовать те случаи,

в которых это правило имеет

больше всего шансов

оказаться неверным»

А.Пуанкаре

Связь между объяснением и прогнозированием выражается, прежде всего, в идентичности их логической структуры. С общей, формальной точки зрения различие между объяснением и предсказанием заключатся в том, что если объяснения относятся к событиям и явлениям уже существующим и известным, то предсказания – к событиям неизвестным, существование который необходимо еще установить.

1. Научное объяснение в биологии

Объяснить явление, объект – это значит не только сделать его понятны, но и раскрыть его сущность: структуру, происхождение, связи с другими объектами. Научное объяснение в биологии осуществляется с помощью как теоретического, так и эмпирического исследования.

Объяснение через собственные законы – это использование объяснительной функции закона, которая характеризуется двумя понятиями:

- объясняющая способность закона;

- объясняющая сила закона.

Объясняющая способность указывает на область применения закона. Под объясняющей силой закона понимается, насколько глубоко он проникает в сущность изучаемых объектов и явлений.

Генетическое объяснение основывается на причинно-следственных зависимостях, образовавшихся в результате развития объекта, они делятся на простые и причинные.

При простом генетическом объяснении современного состояния объекта обращаются к предшествующему состоянию этого объекта.

При причинном объяснении рассматриваются зависимости причина-следствие. Анализ причин позволяет биологу ответить на вопрос «почему?». Так причина ухудшения качества окружающей среды – загрязнения.

Объяснения на основе эксперимента занимают важное место в биологии, они подразделяются на натурные и модельные эксперименты.

Основные подходы:

1. «черный ящик» - базируется на изучении объекта как единого целого без расчленения на отдельные части. При использовании этого подхода варьируют входными переменными и изучают реакцию на них выходных параметров.

2. «серый ящик» - при анализе объекта исследователь имеет возможность или ставит такую цель – получить информацию об отдельных структурных частях «черного ящика».

3. «белый ящик» - блоковый подход. При этом подходе объект изучают по отдельным структурным частям, устанавливают связи между ними и создают целостное представление об объекте. При этом необходимо получить количественные данные по всем блокам, чтобы представить себе ясную картину на выходе.

Объясняющая способность анализа и синтеза в биологии очень велика. В зависимости от глубины изучения объекта выделяются три вида анализа и синтеза.

1. Прямой или эмпирический анализ-синтез используется при поверхностном изучении биологического объекта: выделение объекта на фоне многих других объектов, изучение его отдельных объединяющих свойств (анализ) и составление представления об объекте как целом (синтез).

2. Возвратный или элементарно-теоретический анализ-синтез – это более глубокое изучение объекта, становление некоторых причинно-следственных связей, подразделение всех ее элементов на главные и второстепенные.

3. Структурно-генетический анализ-синтез предполагает глубокое исследование генезиса, взаимосвязей и функционирование биологической системы, рассматривая ее как систему, которая состоит из ряда подсистем и взаимосвязанных компонентов.

Указанные виды анализа-синтеза можно рассматривать в отдельности, но можно трактовать и как единый процесс познания. Это зависит от целей исследования.

Индуктивный и дедуктивный пути научного объяснения в биологии.

Схема индуктивного пути объяснения:

чувственный опыт – неупорядоченные факты – определения, классификации – упорядоченные факты – индуктивные обобщения – построение законов и теорий – объяснение.

Схема дедуктивного пути объяснений:

чувственный опыт – образ, структура объекта – первичная модель – гипотезы – схема проведения эксперимента – данные эксперимента – процедуры проверки гипотезы (статистические критерии) – построение законов и теорий – объяснение.

2. Логическая структура предсказаний

Предвидение новых событий и явлений составляет важнейшую и вместе с тем сложнейшую функцию биологии, по которой судят об ее эффективности и практической применимости. Все наше знание в итоге ориентированно именно на предвидение нового.

Предсказание наряду с прогнозом чаще всего рассматривают как частный случай предвидения. Однако научное предвидение следует четко отличать от разного рода пророчеств. Чтобы получить ясное представление о характере и возможностях научного предвидения, необходимо рассмотреть его логическую структуру, на которую оно опирается.

Предсказания по своей логической структуре представляют собой дедуктивные умозаключения, посылками которых служат достоверные или гипотетические высказывания, а заключением достоверное или вероятное утверждение. Поскольку дедукция полностью переносит значение посылок на заключение, то надежность предсказаний зависит от обоснованности их посылок. Если посылки предсказания достоверно истины, то истинным будет и полученное из них заключение, если посылки являются гипотезами, то и предсказание будет вероятным в той степени, в какой вероятны гипотезы.

Наиболее надежными в науке считаются предсказания, опирающиеся на посылки, являющиеся достоверными универсальными истинами, какими служат законы и теории. Но они относятся только к сравнительно простым системам, поведение которых имеет регулярный, устойчивый или циклический характер. Примерами таких систем могут служит солнечная система, некоторые биологические системы, функционирующие в циклическом режиме или технические системы, созданные человеком.

Большинство же предсказаний основываются на стохастических законах массовых случайных событий, либо всевозможных гипотез, заключение которых имеют только вероятностный характер. Однако важно при этом учитывать степень этой вероятности: если она значительно меньше половины, то предсказание вряд ли осуществится. Кроме того, надежность предсказания зависит также от точности тех единичных высказываний, которые служат его посылками. Таким образом, структура предсказания будет представлять собой дедуктивное рассуждение, большой посылкой которого служат достоверные или вероятные высказывания, а меньшей посылкой – единичные высказывания, характеризующие начальные или граничные условия, а заключением – предсказуемое событие или явление.

В содержательном и методологическом отношении предсказания отличаются от объяснений:

1) предсказания отличаются своей направленностью во времени, причем не только от настоящего к будущему, но и от настоящего к неизвестному прошлому, в этом случае его называют ретросказанием.

2) предсказания, как правило, относятся к отдельным событиям, тогда как объяснения могут относится к законам частного типа, полученным путем дедуктивного вывода из общих законов или теорий.

3) характерной чертой многих предсказаний является их вероятностный характер или правдоподобный. Многие предсказания основываются на стохастических или вероятностно-статистических законах, заключения которых никогда не могут быть достоверно истинными, а только вероятными.

Такой подход к логической структуре предсказания дает возможность по-новому взглянуть на его отличие от объяснения.

Прогнозирование представляет собой более сложную форму предсказания, которую можно выделить в самостоятельный вид научного предвидения. Прогноз в биологии связан с подробной разработкой плана вероятного хода событий и процессов, представляющих обычно значительный общественный интерес. Во многом прогнозирование сходно с научным исследованием, но отличается от него практической направленностью и точным заданием количественных параметров для каждой стадии рассматриваемого процесса прогнозирования.

Исходным пунктом прогнозирования является точное задание предмета, целей и проблем прогнозирования, а также необходимых эмпирических и теоретических средств для их реализации, сбор необходимой информации. Все они составляют предварительную стадию исследования. На следующей стадии происходит построение первоначальной модели прогнозирования, в которой определяются параметры и переменные исследуемых величин, обсуждаются критерии и методы разработки поставленной проблемы. Опираясь на эту модель, сначала осуществляют поисковый прогноз, в ходе которого выявляют наблюдаемые тенденции развития событий и процессов, экстраполируя их на будущее. На этой основе происходит окончательная разработка нормативной модели, учитывающая результаты предварительного поиска, а также существующие нормы и критерии прогнозирования. На заключительной стадии проводится экспертная оценка степени достоверности полученных результатов и предлагаются рекомендации по оптимизации модели для решения конкретных задач.

В настоящее время прогнозирование сформировалось в самостоятельную отрасль знания – прогностику, широко использующую такие современные методы и средства исследования как экспериментальное, математическое и вычислительное моделирование, вероятностно-статистический анализ, приемы экстраполяции и интерполяции, теорию выбора и принятия решений и т.д.

По своему происхождению, идейной направленности и практическому применению прогнозирование осуществляет методологическую функцию предвидения на развитой стадии научного познания.

3. Методы прогнозирования в биологии

Прогнозирование (от греч. prognosis – предвидение, предсказание) – это совокупность действий, позволяющих вынести суждения о поведении биологических систем в будущем, об их коренных свойствах и разнообразных переменных состояниях, обусловленных преднамеренными или непреднамеренными результатами деятельности человека.

На фоне естественного развития биологических систем происходит их изменения под воздействием антропогенного фактора. Поэтому при биологическом прогнозировании осуществляется одновременно изучение как природных, так и антропогенных причинно-следственных связей развития природных процессов и биологических систем. В последние десятилетия антропогенные изменения природной среды по своей скорости и масштабам сравнялись, а в ряде случаев и превзошли естественные. Вследствие этого важнейшее место в составе биологического прогнозирования занимают прогнозы следствий хозяйственной деятельности человека.

Особое место в биологии занимает экологическое прогнозирование – предвидение вероятного состояния экосистем или биомов, а также окружающей среды, определяемого естественными процессами и воздействием на них человека. Важным моментом экологического прогнозирования должно быть составление кадастров земель, вод, лесов, животного мира. Экологическое прогнозирование ведется по отраслевому принципу и в региональном разрезе. Этот вид прогноза, как правило, содержит цепочки последовательных событий, вытекающих одного из другого; их получают применяя экспертные оценки, используя метод аналогии, а также проводя расчеты по специально созданным математическим моделям экологических процессов. Прогнозы в экологии позволяют своевременно принимать комплекс мер по охране природы, наметить основные направления по организации рационального природопользования.

Различают следующие виды прогнозов:

1. по их содержанию:

- ретроспективные (экстраполяционные);

- поисковые;

- нормативные;

- качественные;

- полуколичественные;

- количественные;

2) по методу прогнозирования:

- экспертные;

- аналоговые;

- сравнительно-биологические или историко-биологические;

- расчетные;

- экспериментальные;

3) по отношению ко времени:

- сверхкраткосрочные (до 1 года);

- краткосрочные (до 5 лет);

- среднесрочные (до 15 лет);

- долгосрочные (на несколько десятилетий вперед);

- сверхдолгосрочные (на тысячелетия и более);

4) по отношению к пространству:

- глобальные;

- региональные;

- локальные;

5) по отношению к охвату условий:

- частные (поэлементные);

- комплексные или интегральные.

В биологии часто используется ретроспективный прогноз будущих состояний системы на основе анализа тенденций ее прошлого развития. Недостаток такого способа заключается в том, что биологические системы могут развиваться неравномерно, а это предопределяет возможную ошибку в прогнозе. На достоверность экстраполяции могут оказать влияние случайные факторы, которые необходимо учитывать. На основе изучения тенденций конкретного процесса за 5 – 10 лет нельзя давать прогноз на 20 – 30 лет вперед. Для того чтобы прогноз оправдался на 20 лет вперед, нужно базироваться на данных за 50 – 60 лет. Однако, для прогнозирования многих природных процессов этого срока обычно мало, т.к. смена тенденций в развитии природных систем происходит за время от 200 до 3 000 лет.

Поисковый прогноз – предсказание возможного состояния объекта прогнозирования в будущем на основе изучения тенденций развития в прошлом и в настоящем.

Нормативный прогноз – определение путей и сроков достижения заранее намеченных состояний объекта прогнозирования в будущем, принимаемых в качестве цели. Нормативный прогноз, в сущности представляет собой программу действий, которая строится не от достигнутого, а от желаемого.

Метод экспертных оценок – составление прогноза на основе мнения экспертов-специалистов. При составлении экспертного прогноза выявляют:

- современное состояние прогнозируемого процесса (явления);

- динамику и направление развития процесса (явления) в прошлом и настоящем;

- тенденции развития на будущее;

- возможные последствия.

Метод биологических аналогий основывается на возможном сходстве одного объекта (процесса) с другим. Так, если мы прогнозируем влияние будущего водохранилища на окружающую среду, то можно использовать данные по другому водохранилищу, который располагается в сходных условиях. По аналогии можно прогнозировать состояние мелиоративных земель после осушения, использование минеральных ресурсов и т.д.

Частным называется прогноз для какого-либо отдельного процесса или компонента системы.

Интегральный прогноз строится на основе частных прогнозов с суммирующей оценкой изменения.

Каждый прогноз должен сопровождаться оценкой точности и надежности данного прогноза, т.е. его верификацией. Верификация осуществляется путем сопоставления прогнозных оценок с их реализацией.

В связи с низкой достоверностью прогнозов или получением новой информации, изменившимися условиями – проводится корректировка прогнозов.